不到9小時(shí)！新一代神威超級計算機首次實(shí)現全球大氣數值模擬

如何提高對極端和高影響天氣預報的準確性?基于天氣系統和大氣物理化學(xué)條件先一步模擬(即大氣數值模擬)，是可行方法之一。只是，要模擬全球大氣系統并非易事。

但這并未阻擋科學(xué)家們?yōu)榇伺Φ哪_步。4 月 1 日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授安虹課題組與地球和空間科學(xué)學(xué)院教授趙純課題組聯(lián)合，在我國新一代神威超級計算機上首次實(shí)現了長(cháng)達 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學(xué)全耦合數值模擬，而這一過(guò)程，只需不到 9 小時(shí)。近日，該項研究以“Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China”為題在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)通報》(Science Bulletin)上。

用不到 9 小時(shí)的時(shí)間，進(jìn)行對長(cháng)達未來(lái) 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學(xué)全耦合數值模擬，無(wú)疑為未來(lái)的精細和準確預報帶來(lái)福音。這一成果的取得，還要從模擬全球大氣系統模擬的挑戰說(shuō)起。

包含大氣成份演變過(guò)程的全球高分辨率大氣數值模擬，至今是難以突破的挑戰。這其中原因有二：一是，大氣數值模式需要具備更精細的時(shí)空分辨率——當前最先進(jìn)的地球系統數值模擬裝置的全球模式水平分辨率最高是 10~25 公里，要提高精度難度頗大;二是，大氣數值模式還需要包括許多復雜的物理和化學(xué)過(guò)程——此前的天氣預報僅關(guān)注水分等要素，空氣中的二氧化硫、PM2.5等要素的耦合會(huì )使模擬復雜度呈幾何數級的增長(cháng)。因此，要構建這樣的大氣數值模式，會(huì )帶來(lái)模擬計算量的指數增長(cháng)和極大規模的數據讀寫(xiě)需求。

超算系統性能和一系列超算應用技術(shù)的突破給這一挑戰提供了轉機。論文稱(chēng)，該研究工作基于新一代國產(chǎn)神威超算平臺，研發(fā)了包含大氣成份演變過(guò)程的全球高分辨率非靜力平衡大氣數值模式iAMAS，在大規模數據讀寫(xiě)速度、并行計算效率、規?？蓴U展性、運行時(shí)效性等多個(gè)方面填補了國內外大氣數值模擬的空白。

安虹向《中國科學(xué)報》介紹，聯(lián)合研究團隊根據新一代神威超級計算機通信系統和文件系統的特點(diǎn)，通過(guò)重構數據讀寫(xiě)策略，充分利用了系統提供的讀寫(xiě)帶寬、釋放文件系統性能，解決了嚴重影響iAMAS模擬可擴展性的讀寫(xiě)瓶頸;他們還全面優(yōu)化從系統到芯片各層次的并行計算方法，充分發(fā)揮新一代申威異構眾核處理器芯片架構的計算特點(diǎn)，實(shí)現了進(jìn)程級、線(xiàn)程級和數據級三個(gè)層次的并行，大幅提升了大氣物理—化學(xué)全耦合數值模擬的并行計算效率。

最終，研究團隊將數值模擬試驗的規模擴展到近4000萬(wàn)處理器核(約60萬(wàn)核組)時(shí)，并行效率仍保持在76.2%，在頻繁的大規模數據讀寫(xiě)的情景下，達到了每小時(shí)模擬20小時(shí)天氣過(guò)程的速度，實(shí)現了全球3 km大氣物理—化學(xué)耦合的高效數值模擬試驗,達到了國際領(lǐng)先水平。

“也就是說(shuō)，目前我們用8.54小時(shí)的時(shí)間，就可以完成對7天天氣過(guò)程的精細預報，取得了很好的時(shí)效性。”安虹告訴《中國科學(xué)報》：“如果沒(méi)有新一代神威超算這么大的系統、沒(méi)有一系列超算技術(shù)的創(chuàng )新和突破，這種模擬可能一個(gè)月都算不完，就起不到預報的作用了。”

安虹告訴記者，團隊正在做進(jìn)一步的努力，希望把更準確更精細的中長(cháng)期(10天以上)天氣過(guò)程和空氣質(zhì)量的預報時(shí)間控制在數小時(shí)內完成，為開(kāi)展長(cháng)期的高分辨率氣候模擬奠定基礎。

應對日益變暖的全球氣候以及頻繁的極端和高影響天氣是21世紀科學(xué)界面臨的重大挑戰之一。近年來(lái)，頻繁發(fā)生的極端和高影響天氣以及空氣污染事件，如暴雨、暴雪、高溫、干旱、雷暴、臺風(fēng)、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴重影響，甚至會(huì )造成不可估量的生命和財產(chǎn)損失。

安虹表示，這項研究初步揭示了全球高分辨率大氣物理—化學(xué)耦合模擬，能顯著(zhù)改善極端和高影響天氣事件預報的準確性，展現出高空間分辨率和耦合化學(xué)反饋效應對數值天氣和空氣質(zhì)量預報的重要意義，具有重大的應用前景。

“我們未來(lái)計劃進(jìn)一步優(yōu)化該大氣模式，提高其計算效率和穩定性，并將其耦合進(jìn)我國的高分辨率地球系統模式，從而可以開(kāi)展長(cháng)期的高分辨率氣候模擬試驗，探究氣候變化規律及對人類(lèi)的影響，服務(wù)于國家的‘雙碳’戰略。”趙純說(shuō)，此外，全球高分辨率大氣物理—化學(xué)耦合模擬同樣適用于研究行星大氣成份的演變規律。團隊也將在本研究的基礎上，發(fā)展行星高分辨率大氣模式，服務(wù)于國家的深空探測計劃及相關(guān)科學(xué)研究。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流工程”研究基金、中科院戰略重點(diǎn)研究計劃等項目的共同資助。該項成果在國家氣象局、國家超級計算無(wú)錫中心、北京大學(xué)、清華大學(xué)相關(guān)研究人員的緊密配合下完成。青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超算中心、國家超級計算無(wú)錫中心、國家超級計算濟南中心、國家超級計算廣州中心等單位為該項目研究提供了超算資源的支持。(作者：趙廣立)

免責聲明：本文不構成任何商業(yè)建議，投資有風(fēng)險，選擇需謹慎！本站發(fā)布的圖文一切為分享交流，傳播正能量，此文不保證數據的準確性，內容僅供參考

關(guān)鍵詞： 大氣物理全耦合數值模擬 大氣數值模擬 大氣系統 神威超級計算機